單相PWM整流器直接電流控制策略的研究

1.前言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，功率電子設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛，致使大量的非線性負(fù)載涌入電網(wǎng)，給電力系統(tǒng)的電壓和電流都帶來了越來越嚴(yán)重的諧波污染。而PWM整流器提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，得到了人們的重視。

根據(jù)輸入電感電流狀態(tài)PWM整流器可分為電流斷續(xù)工作模式(DCM)和電流連續(xù)工作模式(CCM)，由于CCM模式具有輸入輸出電流紋波小、濾波容易、器件導(dǎo)通損耗小、適用于大功率場(chǎng)合等優(yōu)點(diǎn)，得到了更多地關(guān)注。在CCM模式中，根據(jù)是否直接選取瞬態(tài)電感電流作為反饋量，又可分為直接電流控制和間接電流控制。間接電流控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無需電流傳感器，但是它最大的缺點(diǎn)是電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)緩慢，甚至交流側(cè)電流中含有直流分量，且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)波動(dòng)較敏感。相對(duì)于間接電流控制，直接電流控制把整流器的輸入電流作為反饋和被控量，形成電流閉環(huán) 控制，使電流動(dòng)、靜態(tài)性能得到了提高，同時(shí)也使網(wǎng)側(cè)電流控制對(duì)系統(tǒng)參數(shù)不敏感，從而增強(qiáng)了電流控制系統(tǒng)的魯棒性。所以，直接電流控制技術(shù)有著非常廣闊的應(yīng)用前景和使用價(jià)值。

2.單相電壓PWM整流器原理框圖

單相電壓型PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由三部分組成：交流回路、功率開關(guān)橋路、直流回路。其中交流回路包括交流電動(dòng)勢(shì)UN 、網(wǎng)側(cè)電阻RN 及網(wǎng)側(cè)電感LN 等;直流回路包括由電感L2和電容C2組成的串聯(lián)諧振電路用來濾除電網(wǎng)的2次諧波分量、濾波電容Cd 及負(fù)載 RL等;功率開關(guān)橋路由四個(gè)反并聯(lián)二極管的IGBT組成。

單相PWM逆變器的控制思路是：在保證直流側(cè)電壓穩(wěn)定的情況下，使交流側(cè)的電流與電壓盡可能的保持同相位，從而使交流側(cè)的功率因數(shù)為1.

3.單相PWM整流器直接電流控制技術(shù)分析

直接電流控制根據(jù)控制方式的不同，又可分為滯環(huán)電流控制、峰值電流控制、預(yù)測(cè)電流控制、平均電流控制、狀態(tài)反饋控制單周控制等。

3.1 峰值電流控制

峰值電流控制的原理是實(shí)時(shí)比較實(shí)際電流和指令電流瞬時(shí)值的大小，指令電流值是實(shí)際電流的上限，實(shí)際電流一旦達(dá)到這個(gè)上限，立刻轉(zhuǎn)而向下衰減，電感值的大小，線路的阻抗和脈寬調(diào)制的開關(guān)頻率影響了這一衰減的最終值。其控制原理框圖如下圖2所示。

峰值電流的優(yōu)點(diǎn)：①暫態(tài)閉環(huán)響應(yīng)較快，對(duì)輸入電壓的變化和輸出負(fù)載的變化的瞬態(tài)響應(yīng)均快;②控制環(huán)易于設(shè)計(jì);③輸入電壓的調(diào)整可與電壓模式控制的輸入電壓前饋技術(shù)相妣美;④簡(jiǎn)單自動(dòng)的磁通平衡功能;⑤瞬時(shí)峰值電流限流功能，即內(nèi)在固有的逐個(gè)脈沖限流功能;⑥自動(dòng)均流并聯(lián)功能。缺點(diǎn)有：①占空比大于5%時(shí)開環(huán)不穩(wěn)定性，峰值電流與平均電流的誤差難以校正;②閉環(huán)響應(yīng)不如平均電流模式控制理想;③占空比大于0.5時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生次諧波振蕩;④對(duì)噪聲敏感，抗噪聲性差;⑤電路拓?fù)涫芟拗?⑥對(duì)多路輸出電源的交互調(diào)節(jié)性能不好。

3.2 滯環(huán)電流控制

滯環(huán)電流控制方式作為峰值電流控制方式的改進(jìn)，只是增加了一條限制電流衰減的下限。其原理仍然是指令電流和實(shí)際電流的實(shí)時(shí)值比較，實(shí)際電流達(dá)到上限指令電流，隨即轉(zhuǎn)入衰減，衰減至下限指令電流，重新開始上升，如此反復(fù)，實(shí)際電流將是一條在上下限指令電流跳動(dòng)的鋸齒波。

其控制原理圖如圖3所示，圖中將指令電流i *和實(shí)際電流i進(jìn)行比較，兩者的偏差△ i 作為滯環(huán)比較器的輸入，通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制電路主電路中開關(guān)通斷的PWM信號(hào)，該P(yáng)WM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制功率器件的通斷，從而控制電流i 的變化。

滯環(huán)電流控制的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，具有很強(qiáng)的魯棒性和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。缺點(diǎn)是開關(guān)頻率不固定，濾波器設(shè)計(jì)困難，需要對(duì)電感電流全周期的檢測(cè)和控制。

3.3 平均電流控制

平均電流控制的工作原理是將電感電流信號(hào)與鋸齒波信號(hào)相加，當(dāng)兩信號(hào)之和超過基準(zhǔn)電流時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷，當(dāng)其和小于基準(zhǔn)電流時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通。取樣電流來自實(shí)際輸入電流而不是開關(guān)電流。其控制原理圖如圖4.

平均電流控制的優(yōu)點(diǎn)是：①平均電感電流能夠高度精確地跟蹤電流編程信號(hào);②調(diào)試好的電路抗噪聲性能優(yōu)越;③適合于任何電路拓?fù)鋵?duì)輸入或輸出電流的控制;④易于實(shí)現(xiàn)均流。缺點(diǎn)是：①電流放大器在開關(guān)頻率處的增益有最大限制;②雙閉環(huán)放大器帶寬、增益等配合參數(shù)設(shè)計(jì)調(diào)試復(fù)雜。

3.4 預(yù)測(cè)電路控制

預(yù)測(cè)電流控制的原理是在每個(gè)調(diào)節(jié)周期開始時(shí)通過對(duì)輸入、輸出電壓和輸入電流的采樣，根據(jù)實(shí)際電流和參考電流的誤差，選擇優(yōu)化的電壓矢量作用于下一個(gè)周期，使實(shí)際電流在一個(gè)周期內(nèi)跟蹤上參考電流，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無誤差。預(yù)測(cè)電流控制原理框圖如圖5所示，其中Uref為給定電壓，Udc 為直流側(cè)反饋電壓。

這種控制的優(yōu)點(diǎn)：開關(guān)頻率固定，動(dòng)態(tài)性能良好，電流諧波小，器件開關(guān)應(yīng)力小，數(shù)字實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：要求較高的采樣頻率和開關(guān)頻率，在低的采樣頻率下，會(huì)產(chǎn)生周期性的電流誤差。

3.5 無差拍控制

無差拍控制是一種在電流滯環(huán)比較控制技術(shù)基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的全數(shù)字化控制技術(shù)，利用前一時(shí)刻的電流參考值和各種開關(guān)狀態(tài)下變流器的電流輸出值，根據(jù)空間矢量理論計(jì)算出整流器下一時(shí)刻應(yīng)滿足的開關(guān)模式，選擇這種開關(guān)模式作為下一時(shí)刻的開關(guān)狀態(tài)，從而達(dá)到電流誤差等于零的目標(biāo)。采用無差拍控制的優(yōu)點(diǎn)數(shù)學(xué)推導(dǎo)嚴(yán)密、跟蹤無過沖、動(dòng)態(tài)性能好，易于計(jì)算機(jī)執(zhí)行，可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，并在最短的時(shí)間內(nèi)結(jié)束過渡過程但它也存在魯棒性較差、瞬態(tài)響應(yīng)超調(diào)量大、計(jì)算實(shí)時(shí)性強(qiáng)因而對(duì)硬件要求很高等缺點(diǎn)。隨著數(shù)字信號(hào)處理器應(yīng)用的不斷普及，這是一種很有前途的控制方法。

3.6 狀態(tài)反饋控制

狀態(tài)反饋控制是針對(duì)電流型可逆整流器輸入濾波器容易出現(xiàn)振蕩以消除振蕩的控制方式。其控制原理圖如下圖6.

4.結(jié)語(yǔ)

直接電流控制是單相高功率因數(shù)整流器的主要控制方式，也是我們以后研究的重心。利用各種控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，采用多種控制策略相結(jié)合，形成互補(bǔ)關(guān)系，達(dá)到理想的效果，這也是控制技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。新的直接電流控制策略的研究將是另一個(gè)方向。隨著數(shù)字信號(hào)處理器的普遍應(yīng)用和人工智能技術(shù)的逐漸成熟。數(shù)字控制和智能控制也將是我們研究的目標(biāo)，這將是直接電流控制技術(shù)的發(fā)展的主流。